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Freya: an event prediction model for power distribution networks

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Autor Aranda, Jorge Arthur Schneider;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/1367073123712555;
Orientador Barbosa, Jorge Luis Victória;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/6754464380129137;
Co-orientador Pereira, Paulo Ricardo da Silva;
Lattes do co-orientador http://lattes.cnpq.br/1997755245309923;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Freya: an event prediction model for power distribution networks;
Resumo No contexto das Smart Grids (SGs), as concessionárias de energia gerenciam extensos volumes de dados para monitorar e otimizar as redes de distribuição. Os principais parâmetros incluem níveis de tensão, corrente e potência, bem como indicadores de falha, como correntes de curto-circuito e quedas de tensão. Detectar e prever falhas técnicas é fundamental para prevenir faltas de energia que afetam consumidores residenciais e industriais. A estimativa de event, o processo de previsão das condições futuras do SG, é essencial para identificar potenciais falhas técnicas. Os SGs apresentam equipamentos distribuídos hierarquicamente por grandes áreas geográficas, influenciando a rede global com base na sua importância hierárquica e nos contextos históricos individuais. A comunicação contínua entre esses dispositivos e os centros de monitoramento é vital para a operação eficaz do SG. A integração de conceitos como Edge Computing (EC), Internet das Coisas (IoT) e Machine Learning (ML) melhora a estimativa de evento e a eficiência operacional em SGs. Esta tese apresenta o modelo Freya, uma estrutura computacional inteligente projetada para estimativa de eventos em SGs, com foco na distribuição de energia. A contribuição científica do modelo Freya reside na estimativa de eventos tanto ao nível do equipamento como da rede, com especial ênfase na importância hierárquica e na influência do atual contexto. A análise comparativa mostra que Freya aborda exclusivamente três aspectos estratégicos: (1) operação de equipamentos remotos, (2) influência do contexto nos SGs e (3) importância hierárquica dentro da rede. Esses aspectos servem como insumos para modelagem preditiva. A detecção de eventos no Freya consiste em três etapas. Inicialmente, os modelos ML são aplicados a dispositivos SG individuais. Posteriormente, um modelo de ML empilhado consolida essas previsões no nível do dispositivo para prever o evento geral da rede – finalmente, ocorre o processo de inferências através do OntoFreya, a ontologia proposta nesta tese. OntoFreya classifica eventos de rede e equipamentos em conformidade com regulamentos e padrões regulatórios de concessionárias de energia, permitindo manobras proativas para mitigar possíveis problemas. A validação do modelo usa dados do mundo real de alimentadores de distribuição, reguladores de tensão, religadores e vários cenários aplicados, demonstrando a capacidade do modelo Freya. O modelo Freya de redes de distribuição obteve uma precisão de 99,73%, recall de 99,75% e F1-Score de 99,73%, em comparação modelos comumente usados nesse tipo de tarefa alcançaram uma precisão de 83,36%, recall de 82,91% e F1-Score de 83,36%, demonstrando a superioridade do modelo Freya em termos de métricas na detecção de eventos.;
Abstract In the Smart Grids (SGs) context, energy utilities manage extensive data volumes to monitor and optimize distribution networks. Key parameters include voltage, current, and power levels, as well as fault indicators like short-circuit currents and voltage sags. Detecting and predicting technical failures is for preventing power shortages that affect residential and industrial consumers. The process of predicting future conditions of the SG, is essential for identifying potential technical failures. SGs feature hierarchically distributed equipment across large geographical areas, influencing the overall network based on their hierarchical importance andinevice-level predictions to forecast the network’s overall state—finally, the process of inferences through OntoFreya, the ontology proposed in this thesis. OntoFreya classifiedividual historical contexts. Continuous communication between these devices and monitoring centers is vital for effective SG operation. Integrating concepts such as Edge Computing (EC), the Internet of Things (IoT), and Machine Learning (ML) enhances event prediction and operational efficiency in SGs.This thesis introduces the Freya model, an intelligent computational framework designed for event prediction in SGs, focusing on energy distribution. Freya’s scientific contribution lies in event prediction at both the equipment and network levels. Comparative analysis shows that Freya uniquely addresses three aspects: (1) operation of remote equipment, (2) context-aware on SGs, and (3) hierarchical importance within the network. These aspects serve as inputs for predictive modeling.Event prediction in Freya consists of three steps. Initially, ML models are applied to individual SG devices. Subsequently, a stacked ML model consolidates these ds network and equipment events in compliance with energy utility regulations and regulatory standards, enabling proactive maneuvers to mitigate potential issues. The model’s validation uses real-world data from distribution feeders, voltage regulators, reclosers, and various applied scenarios, demonstrating the capability of the Freya model. The Freya model for distribution networks achieved an accuracy of 99.73%, recall of 99.75%, and F1- Score of 99.73%, compared to commonly used models in this type of task, which reached an accuracy of 83.36%, recall of 82.91%, and F1-Score of 83.36%, demonstrating the superiority of the Freya model in terms of event prediction metrics.;
Palavras-chave Smart Grid; Aprendizado de máquina; Computação ubíqua; Ontologia; Machine learning; Ubiquitous computing; Ontology;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Tese;
Data de defesa 2024-08-16;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13422;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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